大過載繞線異步電動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)

雷 洋,洪長(zhǎng)艷,朱一凡

(1. 哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司,哈爾濱 150040; 2. 哈爾濱商業(yè)大學(xué),哈爾濱 150076)

0 引言

大過載異步繞線電動(dòng)機(jī)使用工況復(fù)雜且惡劣,且主流電機(jī)廠家生產(chǎn)該類型異步繞線電動(dòng)機(jī)均采取大過載形式,不采取增加電機(jī)容量的形式,其目的是為了降低中心高適配現(xiàn)場(chǎng)使用場(chǎng)景對(duì)電機(jī)的限制。

國(guó)外繞線異步電機(jī)大過載使用工況常為10 min周期內(nèi)4倍額定負(fù)載使用時(shí)間10 s,2.5倍額定負(fù)載使用時(shí)間60 s。本次我公司為國(guó)內(nèi)某知名公司設(shè)計(jì)的大過載繞線異步電機(jī)就是該種運(yùn)行工況。該公司在某項(xiàng)目上使用國(guó)內(nèi)某電機(jī)廠的電機(jī)時(shí)進(jìn)行了多次改進(jìn)但仍未能滿足現(xiàn)場(chǎng)工況使用條件,最終還是采購了某外國(guó)公司產(chǎn)品。選擇我公司進(jìn)行該產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)工作就是為了在該領(lǐng)域使用國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品替代國(guó)外產(chǎn)品,解決可能出現(xiàn)的“卡脖子”情況。

本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品型號(hào)為YR630-10 600 kW 10 kV 50 Hz電機(jī),該型號(hào)產(chǎn)品在該公司尚未使用過國(guó)外電機(jī)廠商產(chǎn)品,為了順利設(shè)計(jì)及驗(yàn)證我公司的設(shè)計(jì)能力,該公司為我公司提供了之前使用過的國(guó)外電機(jī)數(shù)據(jù),以進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)。

1 電動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)

對(duì)照產(chǎn)品型號(hào)為YR560-10 400 kW 50 Hz 6 300 V。大過載繞線異步電機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)就在較小的中心高下設(shè)計(jì)出過載較大的電機(jī),以及最大轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)差率的確定。最大轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)差率越大,則電機(jī)的工作區(qū)間越長(zhǎng),可以更長(zhǎng)時(shí)間保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率公式見下:

式中:sm為最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率;R1為電機(jī)定子電阻:R2為電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻;x1為電機(jī)定子漏抗;x2為電機(jī)轉(zhuǎn)子漏抗。

通過上述理論基礎(chǔ),結(jié)合用戶實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用電機(jī)情況,先用類比法做出了如下方案對(duì)比(見表1)。

表1 哈動(dòng)裝400 kW大過載繞線異步電動(dòng)機(jī)與國(guó)外品牌電機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比

轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率-轉(zhuǎn)子電流曲線對(duì)比,見圖1、圖2:

圖1 某國(guó)外電機(jī)廠轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率-轉(zhuǎn)子電流曲線

圖2 哈動(dòng)裝對(duì)比產(chǎn)品轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率-轉(zhuǎn)子電流曲線

通過圖1和圖2的電機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率-轉(zhuǎn)子電流曲線對(duì)比可以看出,我公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品與國(guó)外某電機(jī)廠設(shè)計(jì)產(chǎn)品基本一致,證明我公司設(shè)計(jì)產(chǎn)品可以完全達(dá)到用戶使用的要求,并在用戶最終的設(shè)計(jì)審查過程中得到認(rèn)可。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初還要計(jì)算該電機(jī)在使用工況下的等效工況,即需要計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子等效電流數(shù)值,以此來確定電機(jī)的一些基本參數(shù)數(shù)值的選擇。轉(zhuǎn)子等效電流的計(jì)算公式如下:

式中:Iq為轉(zhuǎn)子等效電流值;I1、I2…In為各種工況下的額定轉(zhuǎn)子電流值;t1、t2…tn為各種工況下的運(yùn)行時(shí)間。

根據(jù)上文提到的現(xiàn)場(chǎng)工況情況,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工況要求下的轉(zhuǎn)子等效電流計(jì)算:

這說明電機(jī)要在1．4倍額定工況情況下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行無任何問題,所以在進(jìn)行前期電磁計(jì)算時(shí)至少要保證在上述要求下電機(jī)無問題。

在上述前期工作完成后,進(jìn)行電機(jī)電磁部分的計(jì)算,計(jì)算數(shù)值見表2。

表2 哈動(dòng)裝600 kW大過載繞線異步電動(dòng)機(jī)終版方案數(shù)據(jù)

完成上述電磁計(jì)算后進(jìn)行轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率-轉(zhuǎn)子電流曲線圖繪制(見圖3)。

圖3 哈動(dòng)裝600 kW大過載繞線異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率-轉(zhuǎn)子電流曲線

進(jìn)行上述電磁計(jì)算方案設(shè)計(jì)的同時(shí),也進(jìn)行了該最終方案的1．5倍額定工況2倍額定工況下的電磁方案的計(jì)算。上述電機(jī)方案在2倍額定工況下按照理論計(jì)算仍能滿足常規(guī)電機(jī)要求,驗(yàn)證了上述電磁計(jì)算的合理性。

通過上述類比法計(jì)算和實(shí)際產(chǎn)品計(jì)算可以看出,大過載繞線異步電機(jī)在計(jì)算過程中要綜合考慮最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、轉(zhuǎn)差率、轉(zhuǎn)子電流等數(shù)據(jù)的平衡性,需要進(jìn)行大量的理論計(jì)算、曲線繪制對(duì)比,通過反復(fù)校驗(yàn)得出最終的計(jì)算方案。

2 電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目

由于該臺(tái)電機(jī)屬全新產(chǎn)品,而且要求與常規(guī)產(chǎn)品完全不同,需進(jìn)行試驗(yàn)大綱的編制,尤其需要注意的是要進(jìn)行1．5倍額定工況下的溫升試驗(yàn),這樣才能全面驗(yàn)證電機(jī)是否能夠?qū)崿F(xiàn)理論計(jì)算中的各項(xiàng)數(shù)據(jù),試驗(yàn)大綱要求以下試驗(yàn)項(xiàng)。

外觀檢查;機(jī)械檢查;旋轉(zhuǎn)方向檢查;測(cè)溫元件功能檢查;繞組絕緣電阻和吸收比的測(cè)定;定轉(zhuǎn)子繞組在實(shí)際冷態(tài)下的直流電阻的測(cè)定;匝間沖擊耐電壓試驗(yàn)(半成品試驗(yàn));轉(zhuǎn)子繞組開路電壓的測(cè)定;振動(dòng)的測(cè)定:超速試驗(yàn);空載試驗(yàn);堵轉(zhuǎn)試驗(yàn);耐電壓試驗(yàn)。

噪聲的測(cè)定;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)定;電壓10 000 V,頻率50 Hz,功率900 kW,定子電流72 A時(shí)的溫升試驗(yàn)(此數(shù)據(jù)為1．5倍額定工況下數(shù)據(jù));效率、功率因數(shù)及轉(zhuǎn)差率的求取;最大轉(zhuǎn)矩的求取;軸電壓測(cè)定。

只有上述數(shù)據(jù)完全滿足要求,尤其是1．5倍額定工況溫升試驗(yàn)是必須要滿足要求,此臺(tái)電機(jī)才算完全達(dá)到了理論計(jì)算中的數(shù)據(jù)。

該臺(tái)電機(jī)在后續(xù)生產(chǎn)中順利的完成了產(chǎn)品的制造工作,進(jìn)行了上述試驗(yàn)大綱中要求的試驗(yàn)項(xiàng)目,具體試驗(yàn)結(jié)果與理論數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

表3 哈動(dòng)裝600 kW大過載繞線異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值對(duì)比

3 結(jié)論

我們通過與國(guó)外成熟產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比計(jì)算、現(xiàn)有產(chǎn)品的理論計(jì)算、現(xiàn)有產(chǎn)品電機(jī)制造完成后的試驗(yàn)驗(yàn)證,多方面、多角度對(duì)大過載繞線型異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了理論與實(shí)際的計(jì)算和驗(yàn)證,證明了產(chǎn)品的可靠性。實(shí)現(xiàn)了企業(yè)在該領(lǐng)域零的突破,為公司進(jìn)駐該產(chǎn)品市場(chǎng)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步,也為該形式電機(jī)國(guó)產(chǎn)化貢獻(xiàn)了一份力量。最終,我公司根據(jù)用戶實(shí)際使用中的該類型電機(jī)功率進(jìn)行了詳細(xì)的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),形成了我司特有的一個(gè)產(chǎn)品類型。